高爐噴吹秸稈生物質燃燒特性分析

王國強

（山東鋼鐵集團日照有限公司，山東 日照276800）

1 前 言

生物質的微觀、熱性能進行了研究，進一步探究高爐噴吹秸稈生物質的可行性［1-3］。

隨著日趨嚴格的環保要求以及日益增長的能源成本，國內外對于高爐煉鐵過程中生物質的應用研究逐漸增加。高爐噴吹技術現在已經成熟，對于生物質在高爐的應用提供了有效的方式方法，對于高爐噴吹生物質燃料有很大的應用前景。本文對

2 微觀形貌分析

為充分了解秸稈加工后物料性能與煤粉的區別，通過掃描電鏡觀察分析無煙煤粉和生物質秸稈的形貌，結果如圖1所示。

圖1 秸稈粉碎體和煤粉微觀形貌

由圖1a 可見，煤粉顆粒粒度性較好，分布分散情況勻稱，這是由于煤粉有機組分比較少，成粒性較好，顆粒間黏度不高，氣孔的分布均勻性較好，因此在破碎過程中，氣孔優先被粉碎，黏度較低容易分散成均勻的粉末。

由圖1b、圖1c、圖1d 可以看出，秸稈粉碎后為條片狀，形體不規則，可以看出破碎并沒有對生物質造成組織結構變化。生物質粉末體為孔網狀纖維結構，可以增加氧的擴散速度，對于揮發分快速析出和熱分解具有促進作用，相應的會增強燃燒的熱量和速度。在生物質破碎后，便于運輸和儲存，破碎后的生物粒徑可達到微米級，在高爐使用過程中與煤粉一塊噴吹，在超音速的噴吹速度下不會產生分層，便于工藝控制。另外，混合噴吹也將增加煤粉的燃燒性能，因此生物質在高爐的燃燒性能值得深入研究，便于生物質在高爐的充分應用。

3 秸稈和煤粉工業元素對比分析

為詳細了解秸稈和煤粉組分的差異，本試驗選取無煙煤粉、部分不同種類的秸稈進行工業和元素對比分析，秸稈工業分析參照（ASTM）E870—82標準，煤粉工業分析按照GB/T 212—2008 執行，元素分析使用元素分析儀分析，結果見表1和表2。

表1 秸稈生物質的元素含量表（質量分數） %

通過元素分析可以看出，秸稈生物質主要由碳氫氧氮硫等元素組成，其中碳氫氧占比達到98%以上，因生物質自身特性還含有部分N、S。與無煙煤對比來看，生物質O 含量達到了35%以上，有很好的助燃效果。通過元素組成來看，生物質相較于煤粉環保性更優，N、S含量極低，不會造成排放污染。但相較于煤粉，生物含有的部分堿金屬容易造成結渣，對高爐爐況會造成一定的影響，但可以通過與煤粉混合使用，可以較好地解決堿金屬對高爐冶煉的使用影響。

表2 無煙煤和生物質的參數

根據表2可以看出，無煙煤的揮發分遠低于秸稈燃料，相差接近58%，固定碳遠高于秸稈燃料，接近50%；另外不同秸稈的灰分也有較大差別，小麥、玉米秸稈相對較低。無煙煤的發熱值為秸稈生物質的1.5倍，這主要受固定碳差值影響。

4 燃燒性能分析

4.1 試驗設定

將生物質秸稈與無煙煤經烘干干燥后進行粉碎篩分，取一定粒度的生物質粉體（可借鑒高爐噴吹粒度要求），并繼續在100 ℃左右干燥2 h 以上，進一步去除水分。使用熱重分析儀對粉體的燃燒性能進行試驗，升溫速度設定為20 ℃/min，不進行加壓或氣氛保護，采用常規環境，氣體的流量設定在60 mL/min。為保證試驗精度，均采用兩次重復試驗進行誤差控制，并要求測量的兩條TG曲線，始終在同一比例的前提下，最大誤差≯±1 ℃。完成上述測量后，再進行空白試驗去除系統自身偏差。

4.2 燃燒試驗分析

選取秸稈和生物質進行熱重試驗，并對相應的TG-DTG曲線進行分析，如圖2所示。

圖2 燃燒特性曲線

對試驗結果分析可以看出，秸稈在加熱過程中，200 ℃前曲線未發生明顯變化，說明未發生大比例失重。隨著溫度的升高，200～600 ℃始終比較嚴重，曲線明顯下降，DTG 上升，失重速率很大，說明該階段為秸稈燃燒過程，正經歷劇烈的放熱過程。繼續升高溫度，TG曲線變化逐漸變緩慢，DTG曲線也逐漸平穩，說明秸稈燃燒接近完成，在650 ℃后，失重過程停止，燃燒完全。

對比秸稈和煤粉的燃燒特性曲線可以看出，煤粉著火點高于秸稈燃燒值，煤粉著火點高于500 ℃，秸稈著火點在200 ℃左右。主要由于秸稈自身組織結構決定的，秸稈主要含有木質素、纖維素、半纖維素。半纖維素分解燃燒開始點低于200 ℃，導致秸稈燃點比較低。煤粉主要是由有機物組成，主要包括縮聚的芳香結構。相對的分子間結合能較高，分解碳氫化合物和煤炭粒子分離難度大，所以導致煤粉的著火溫度升高了。另外從微觀秸稈分析來看，秸稈間分布比較分散，存在較大的空隙，并且呈纖維狀，與空氣接觸面積比較大，創造了有力的燃燒條件。煤粉燃燒溫度及燃盡溫度都很高，比一般秸稈高出200 ℃左右；從元素分析和工業分析結果可以看出，秸稈揮發分較高，在低溫下可以提供給固定碳燃燒所需的足夠熱能，便于固定碳快速燃燒，另外生物質本身固定碳含量較低，整體燃燒所需熱量較低，時間也短，從而也決定了生物質燃燒燃盡溫度都不高或者比煤粉低很多。

4.3 混合物的燃燒

為研究混合后的燃燒性能，將秸稈與煤粉按照5%、10%和15%進行配比，燃燒特性見圖3。

燃燒率是衡量燃燒性能好壞的標志之一，定義為樣品中可燃物的氣化率。從得到的燃燒特性曲線上讀出樣品從室溫燃燒至某一溫度時失重量，再除以該樣品從室溫到燃燒完全的失重量，可得到樣品的燃燒率，燃燒特性如圖4所示。

圖3 混合物燃燒特性曲線

圖4 混合后物料實測燃燒率和加權燃燒率

從圖4 可以看出，秸稈和煤粉混合后，隨著溫度的變化，燃燒率也會發生相應的變化，并對混合燃燒的燃燒率，根據試樣樣品的類別、數量、燃燒率進行加權計算，并與混合后實際燃燒率進行對比。對比可以看出，混合后的總體燃燒率是大于加權計算值的，說明混合后秸稈對于煤粉燃燒率有提升作用，并且隨著秸稈混入的比例增大，助燃性能更加明顯，并且對于燃燒和燃盡溫度也有改善，提升了燃燒性能。

5 結 語

通過對生物質進行微觀、組分、燃燒性進行分析，得出以下結論：秸稈生物質燃點低、燃盡溫度低，并且與煤粉混合后，對煤粉燃燒有很大助燃效果，能夠改善燃燒性能；生物質堿金屬較多，對高爐爐況造成較大影響，高爐不能單獨使用生物質噴吹；生物質破碎后，便于儲存和運輸，運輸成本與煤粉相比較，變化不大。